2018年高中物理 第五章 曲線運動 5.7 生活中的圓周運動課件 新人教版必修2.ppt

《2018年高中物理 第五章 曲線運動 5.7 生活中的圓周運動課件 新人教版必修2.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2018年高中物理 第五章 曲線運動 5.7 生活中的圓周運動課件 新人教版必修2.ppt（43頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、7.生活中的圓周運動,自我檢測,自主閱讀,一、鐵路的彎道 1.火車在彎道上的運動特點 火車在彎道上運動時實際上在做圓周運動,因而具有向心加速度,由于其質量巨大,需要很大的向心力。 2.向心力的來源 (1)若轉彎時內外軌一樣高,則由外軌對輪緣的彈力提供向心力,這樣,鐵軌和車輪極易受損。 (2)內外軌有高度差。依據轉彎半徑和速度,適當選擇內外軌的高度差,使轉彎時所需的向心力由支持力和重力的合力來提供。,,,,,,,,自我檢測,自主閱讀,二、拱形橋 1.汽車過凸形橋(如圖甲),,,,自我檢測,自主閱讀,2.汽車過凹形橋(如圖乙),,,,自我檢測,自主閱讀,三、航天器中的失重現(xiàn)象 1.航天器在近地軌道

2、的運動:,2.對失重現(xiàn)象的認識: 航天器內的任何物體都處于完全失重狀態(tài),但并不是物體不受重力。正因為受到重力作用才使航天器連同其中的乘員環(huán)繞地球轉動。,,,,,,自我檢測,自主閱讀,四、離心運動 1.定義:物體沿切線飛出或做逐漸遠離圓心的運動。 2.原因:向心力突然消失或合外力不足以提供所需的向心力。 3.應用:洗衣機的脫水桶,制作無縫鋼管、水泥管道、水泥電線桿等。,,,,,自我檢測,自主閱讀,1.正誤辨析 (1)火車彎道的半徑很大,故火車轉彎需要的向心力很小。( ) 解析:因為火車的質量很大,轉彎的速度不可能非常小,所以火車轉彎時的向心力會很大。 答案: (2)汽車過凸形橋或凹形橋時,向心加

3、速度的方向都是向上的。( ) 解析:汽車過凸形橋時,向心加速度的方向向下;過凹形橋時,向心加速度的方向向上。 答案: (3)汽車駛過凹形橋最低點時,對橋的壓力一定大于重力。( ) 答案:√ (4)航天器中宇航員處于完全失重狀態(tài),所受合力為零。( ) 解析:航天器中宇航員處于完全失重狀態(tài),但受地球引力,合力不為零。 答案:,自我檢測,自主閱讀,2.航天器中處于完全失重狀態(tài)的物體一定不受重力作用嗎? 答案:受重力作用。處于完全失重狀態(tài)的物體仍受重力作用,重力提供向心力。 3.物體做離心運動是不是因為受離心力作用? 答案:不是。物體做離心運動并不是物體受到離心力作用,而是外力不能提供足夠的向心力,所

4、謂的“離心力”也是由效果命名的,實際并不存在。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,問題導引 設火車轉彎時的運動是勻速圓周運動,如圖所示。 (1)火車轉彎處的鐵軌有什么特點? (2)火車轉彎時速度過大或過小,會對哪側軌道有側壓力? 要點提示(1)火車轉彎處,外軌高于內軌。 (2)火車轉彎時速度過大會對軌道外側有壓力,速度過小會對軌道內側有壓力。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,知識歸納 1.軌道分析 火車在轉彎過程中,運動軌跡是一圓弧,由于火車轉彎過程中重心高度不變,故火車軌跡所在的平面是水平面,而不是斜面。火車的向心加速度和向心力均沿水平面指向圓心。 2.向心力分析 如圖所示

5、,火車速度合適時,火車受重力和支持力作用,火車轉彎所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供,合力沿水平方向,大小F=mgtan θ。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,3.規(guī)定速度分析 若火車轉彎時只受重力和支持力作用,不受軌道壓力。則 (R為彎道半徑,θ為軌道所在平面與水平面的夾角,v0為轉彎處的規(guī)定速度)。 4.軌道輪緣壓力與火車速度的關系 (1)當火車行駛速率v等于規(guī)定速度v0時,內、外軌道對輪緣都沒有側壓力。 (2)當火車行駛速度v大于規(guī)定速度v0時,火車有離心運動趨勢,故外軌道對輪緣有側壓力。 (3)當火車行駛速度v小于規(guī)定速度v0時,火車有向心運動趨

6、勢,故內軌道對輪緣有側壓力。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,畫龍點睛 火車軌道外高內低的目的是讓支持力傾斜,讓支持力在指向圓心方向的分力提供向心力。同理,汽車、摩托車賽道拐彎處、高速公路轉彎處設計成外高內低,可以減小車輪和路面間的橫向摩擦力。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,典例剖析 【例1】 有一列質量為100 t的火車,以72 km/h的速率勻速通過一個內外軌一樣高的彎道,軌道半徑為400 m。(g取10 m/s2) (1)試計算鐵軌受到的側壓力。 (2)若要使火車以此速率通過彎道,且使鐵軌受到的側壓力為零,我們可以適當傾斜路基,試計算路基傾斜角度θ的正切值。 點撥第(1

7、)問中,外軌對輪緣的側壓力提供火車轉彎所需要的向心力;第(2)問中,重力和鐵軌對火車的支持力的合力提供火車轉彎的向心力。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,答案:(1)1105 N (2)0.1,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,規(guī)律方法 火車轉彎問題的兩點注意 (1)合外力的方向:火車轉彎時,火車所受合外力沿水平方向指向圓心,而不是沿軌道斜面向下。因為火車轉彎的圓周平面是水平面,不是斜面,所以火車的向心力即合外力。 (2)受力分析:火車轉彎速率大于或小于規(guī)定速率時,火車受到三個力的作用,即重力、軌道的支持力和外軌或內軌對火車有側向擠壓力,側向擠壓力的方向沿軌道平面向里或向外,合力

8、沿水平面指向圓心。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,變式訓練1(多選)火車在鐵軌上轉彎可以看作是做勻速圓周運動,火車速度提高易使外軌受損。為解決火車高速轉彎時使外軌受損這一難題,你認為理論上可行的措施是( ) A.減小彎道半徑 B.增大彎道半徑 C.適當減小內外軌道的高度差 D.適當增加內外軌道的高度差 解析:當火車速度增大時,可適當增大轉彎半徑或適當增加內外軌道的高度差,以減小外軌所受壓力。 答案:BD,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,問題導引 如圖所示,在某次軍事演習中,一輛戰(zhàn)車以恒定的速度在起伏不平的路面上行進,戰(zhàn)車在哪一點對路面的壓力最大?在哪一點對路面的壓力最小呢?

9、要點提示在最低點B時對路面的壓力最大;在最高點C時對路面的壓力最小。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,知識歸納 1.關于汽車過拱形橋問題,用圖表概括如下:,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,2.汽車在凸形橋的最高點處于失重狀態(tài),在凹形橋的最低點處于超重狀態(tài)。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,典例剖析 (1)汽車允許的最大速率是多少? (2)若以所求速度行駛,汽車對橋面的最小壓力是多少?(g取10 m/s2) 點撥首先要確定汽車在何位置時對橋面的壓力最大,汽車經過凹形橋面時,向心加速度方向向上,汽車處于超重狀態(tài);經過凸形橋面時,向心加速度向下,汽車處于失重狀態(tài),所以汽車經

10、過凹形橋面最低點時,汽車對橋面的壓力最大。,【例2】如圖所示,質量m=2.0104 kg的汽車以不變的速率先后駛過凹形橋面和凸形橋面,兩橋面的圓弧半徑均為20 m。如果橋面承受的壓力不得超過3.0105 N,則:,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,代入數據得FN=1.0105 N。 由牛頓第三定律知汽車對橋面的最小壓力是1.0105 N。 答案:(1)10 m/s (2)1.0105 N 規(guī)律方法 (1)過凹形橋最低點時,汽車的加速度方向豎直向上,處于超重狀態(tài),為使對橋壓力不超出最大承受力,汽車有最大行駛速度限制。 (2)應用牛頓第二定律列方程時,應取加速度方向為正方向。 (3)汽車對橋

11、的壓力與橋對汽車的支持力是作用力與反作用力。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,變式訓練2如圖所示,當汽車通過拱橋頂點的速度為10 m/s時,車對橋頂的壓力為車重的 ,如果要使汽車在橋面行駛至橋頂時,對橋面的壓力為零,則汽車通過橋頂的速度應為( ) A.15 m/s B.20 m/s C.25 m/s D.30 m/s 答案:B,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,問題導引 小球分別在輕繩(如圖甲)和輕桿(如圖乙)的一端繞另一端在豎直平面內運動,請思考: (1)小球要在豎直平面內完成圓周運動,經過最高點時的最小速度能為零嗎? (2)小球經過最高點時,與繩(或桿)之間的作用力可以為零

12、嗎? 要點提示(1)因為繩不能產生支持力,而桿可以,所以甲圖中小球經過最高點時的速度不可能為零,乙圖中小球經過最高點的最小速度可以為零。(2)若小球與繩(或桿)之間沒有作用力,則只有重力提供向心力,所以在最高點時小球與繩(或桿)之間的作用力可以為零。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,知識歸納 1.運動性質:物體在豎直平面內做圓周運動時,受彈力和重力兩個力的作用,物體做變速圓周運動。 2.最低點:小球運動到最低點時受桿或軌道向上的彈力和向下的重力作用,由這兩個力的合力充當向心力,FN-mg= 。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,3.最高點:物體在最高點時的受力特點可分為以下兩種

13、:,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,典例剖析 【例3】 長L=0.5 m 質量可忽略的細桿,其一端可繞O點在豎直平面內轉動,另一端固定著一個物體A。A的質量為m=2 kg,當A通過最高點時,如圖所示,求在下列兩種情況下小球對桿的作用力: (1)A在最高點的速度為1 m/s。 (2)A在最高點的速度為4 m/s。 點撥A與桿之間恰好沒有作用力時, 速度為1 m/s時,小于v0,A受向上的支持力→速度為4 m/s時,大于v0,A受向下的拉力→根據牛頓第二定律列方程求解。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,

14、答案:(1)16 N 向下 (2)44 N 向上,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,規(guī)律方法 豎直平面內圓周運動的分析方法 (1)明確運動的模型,是輕繩模型還是輕桿模型。 (2)明確物體的臨界狀態(tài),即在最高點時物體具有最小速度時的受力特點。 (3)分析物體在最高點及最低點的受力情況,根據牛頓第二定律列式求解。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,變式訓練3如圖所示,輕桿的一端有一小球,另一端有光滑的固定軸O,現(xiàn)給小球一個初速度,使球和桿一起繞O軸在豎直面內轉動,不計空氣阻力,用F表示球到達最高點時桿對小球的作用力,則F( ) A.一定是拉力 B.一定是推力 C.一定等于零 D.可能是

15、拉力,可能是推力,也可能等于零 答案:D,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,問題導引 雨天,當你旋轉自己的雨傘時,會發(fā)現(xiàn)水滴沿著傘的邊緣切線飛出。汽車高速轉彎時,若摩擦力不足,汽車會滑出路面。請思考: (1)水滴飛出、汽車滑出是因為受到了離心力嗎? (2)物體做離心運動的條件是什么? 要點提示(1)水滴飛出、汽車滑出的原因是物體慣性的表現(xiàn),不是因為受到了什么離心力,離心力是不存在的。 (2)物體做離心運動的條件是做圓周運動的物體,提供向心力的外力突然消失或者外力不能提供足夠大的向心力。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,知識歸納 1.離心運動的實質:物體慣性的表現(xiàn)。做圓周運動的物

16、體,總有沿著圓周切線飛出去的趨向,之所以沒有飛出去,是因為受到向心力作用的緣故。一旦作為向心力的合外力突然消失或不足以提供向心力,物體就會發(fā)生離心運動。 2.離心運動的受力特點:物體做離心運動并不是物體受到離心力作用,而是由于外力不能提供足夠的向心力。所謂“離心力”也是由效果命名的,實際并不存在。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,畫龍點睛 分析離心現(xiàn)象要明確什么是“提供的向心力”,什么是“需要的向心力”,分析“供”與“需”的關系是確定物體怎樣運動的關鍵。,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,典例剖析 【例4】 如圖所示,高速公路轉彎處彎道圓半

17、徑R=250 m,汽車輪胎與路面間的動摩擦因數μ=0.25。若路面是水平的,問汽車轉彎時不發(fā)生側向滑動(離心現(xiàn)象)所許可的最大速率vm為多大?當超過vm時,將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?(g取10 m/s2),知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,解析:在水平路面上轉彎,向心力只能由靜摩擦力提供,設汽車質量為m,最大靜摩擦力可近似看作與滑動摩擦力相等,則Ffm=μmg,則有 ,可得vm=25 m/s=90 km/h。當汽車的速度超過90 km/h時,需要的向心力大于最大靜摩擦力,也就是說提供的向心力不足以維持汽車做圓周運動的向心力,汽車將做離心運動,嚴重的將會出現(xiàn)翻車事故。 答案:90

18、 km/h 汽車做離心運動或出現(xiàn)翻車,知識點一,知識點二,知識點三,知識點四,變式訓練4如圖是摩托車比賽轉彎時的情形,轉彎處路面常是外高內低,摩托車轉彎有一個最大安全速度,若超過此速度,摩托車將發(fā)生滑動。對于摩托車滑動的問題,下列論述正確的是( ) A.摩托車一直受到沿半徑方向向外的離心力作用 B.摩托車所受外力的合力小于所需的向心力 C.摩托車將沿其線速度的方向沿直線滑去 D.摩托車將沿其半徑方向沿直線滑去 解析:摩托車只受重力、地面支持力和地面的摩擦力作用,沒有離心力,選項A錯誤;摩托車正確轉彎時可看作是做勻速圓周運動,所受的合力等于向心力,如果向外滑動,說明提供的向心力即合力小于需要的向

19、心力,選項B正確;摩托車將在沿線速度方向與半徑向外的方向之間做離心曲線運動,選項C、D錯誤。 答案:B,1,2,3,4,1.如圖所示,光滑的水平面上,小球m在拉力F作用下做勻速圓周運動,若小球到達P點時F突然發(fā)生變化,下列關于小球運動的說法正確的是( ) A.F突然消失,小球將沿軌跡Pa做離心運動 B.F突然變小,小球將沿軌跡Pa做離心運動 C.F突然變大,小球將沿軌跡Pb做離心運動 D.F突然變小,小球將沿軌跡Pc逐漸靠近圓心 解析:若F突然消失,小球所受合力突變?yōu)?,將沿切線方向勻速飛出,選項A正確。若F突然變小不足以提供所需向心力,小球將做逐漸遠離圓心的離心運動,選項B、D錯誤。若F突然

20、變大,超過了所需向心力,小球將做逐漸靠近圓心的近心運動,選項C錯誤。 答案:A,1,2,3,4,2.飛機俯沖拉起時,飛行員處于超重狀態(tài),此時座位對飛行員的支持力大于所受的重力,這種現(xiàn)象叫過荷。過荷過重會造成飛行員大腦貧血,四肢沉重,暫時失明,甚至昏厥。受過專門訓練的空軍飛行員最多可承受9倍重力的支持力影響。g取10 m/s2,則當飛機在豎直平面上沿圓弧軌道俯沖速度為100 m/s時,圓弧軌道的最小半徑為( ) A.100 m B.111 m C.125 m D.250 m 答案:C,1,2,3,4,3.鐵路轉彎處的圓弧半徑為R,內側和外側的高度差為h,L為兩軌間的距離,且L>h。如果列車轉彎速率大于 ,則( ) A.外側鐵軌與輪緣間產生擠壓 B.鐵軌與輪緣間無擠壓 C.內側鐵軌與輪緣間產生擠壓 D.內外側鐵軌與輪緣間均有擠壓 答案:A,1,2,3,4,4.長為L的輕繩,其一端固定于O點,另一端連有質量為m的小球,它繞O點在豎直平面內做圓周運動。求: (1)小球剛好到達最高點時的速度。 (2)小球到達最高點速度為 時繩受到的拉力。,